综述：多功能碳量子点的生物成像与治疗应用：最新进展与挑战

（编辑推荐）本综述系统阐述了碳量子点（CQDs）在生物医学领域的突破性应用，涵盖其作为纳米载体（nanocarriers）在靶向给药（如pH响应型DDS）、基因治疗及生物成像（如多色荧光标记）中的优势，同时剖析了非生物降解性、潜在细胞毒性等挑战，为精准医疗（precision medicine）提供创新视角。

　　

1. 引言

纳米技术革命性地推动了碳量子点（CQDs）的发展。这类尺寸小于10 nm的碳基纳米材料（NMs），凭借sp²
/sp³
杂化碳核与表面羧基/氨基等官能团，展现出卓越的生物相容性和可调光学特性。相比传统量子点（QDs），CQDs通过"自上而下"（如激光烧蚀）或"自下而上"（如柠檬酸热解法）合成策略，兼具低成本与绿色合成优势，成为跨越血脑屏障（BBB）和肾小球滤过系统的理想纳米载体。

2. 关键生物医学特性

CQDs的独特价值源于四大特性：

• 光学性能：抗光漂白荧光与尺寸依赖的发射波长，适用于活细胞多色成像（如乳腺癌ER/PR受体检测）；
• 表面可修饰性：通过氨基化或聚乙二醇（PEG）修饰实现靶向递送（如叶酸受体靶向DOX递送系统）；
• 跨屏障能力：3-5 nm粒径穿透BBB（如黄色发射碳点Y-CDs抑制β淀粉样蛋白沉积）；
• 刺激响应性：pH敏感释放（如HCDs-DOX在肿瘤微酸环境释放率达84.88%）。

3.1 生物成像与生物传感

CQDs已成功应用于：

• 癌细胞示踪：柑橘衍生的氮掺杂CQDs（N-CQDs）实现MCF-7细胞量子产率31%的成像；
• 细菌标记：两亲性碳点特异性染色革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）的细胞隔膜；
• 无创诊断：基于内滤效应（IFE）的碳点传感器检测碱性磷酸酶（ALP），灵敏度达0.001 U/L。

3.2 智能药物递送系统

突破性案例包括：

• 脑瘤靶向：大氨基酸模拟CQDs（LAAM CQDs）通过LAT1转运体选择性富集于肿瘤；
• 协同治疗：铜掺杂碳点（Cu-CDs）通过MAPK通路诱导三阴性乳腺癌细胞凋亡；
• 控释技术：中空碳点（HCDs）在pH 5.5下实现DOX的缓释动力学。

3.3 再生医学应用

• 骨修复：氮掺杂碳点-羟基磷灰石（NCDs-HA）复合材料促进斑马鱼颌骨再生，ALP活性提升300%；
• 心肌修复：对苯二胺修饰CQDs增强丝素蛋白/聚乳酸（SF/PLA）支架的导电性，心肌细胞存活率提高2倍。

3.4 抗感染治疗创新

• 耐药菌应对：精氨酸衍生CQDs（Arg-CQDs）通过正电荷破坏MRSA生物膜；
• 感染伤口愈合：季铵化CQDs（qCQDs） hydrogel在混合感染模型中使新生皮肤面积增加97%。

4. 挑战与展望

尽管前景广阔，CQDs仍面临：

• 毒性争议：高浓度（>100 μg/mL）可能诱发ROS导致细胞凋亡；
• 标准化缺失：需建立FDA/EMA认可的长期毒性评估框架；
• 稳定性优化：紫外照射下部分CQDs出现荧光淬灭。未来方向包括开发可降解型CQDs（如甘蔗废料衍生碳点）和人工智能辅助设计靶向系统。

5. 结论

作为下一代"诊疗一体化"纳米平台，CQDs通过整合药物递送、多模态成像和免疫调节功能，正在重塑癌症、神经退行性疾病和感染性疾病的治疗范式。随着绿色合成技术与表面工程学的进步，这类"智能"纳米材料有望在5-10年内实现临床转化。